CN107390021A - 一种能够在户内语音播报智能电能表实时电量的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种能够在户内语音播报智能电能表实时电量的装置，其特点是：包括单片机电路分别与系统电源电路、RS485模块电路、3.6V锂电池电路、显示模块电路、存储模块电路、语音模块电路和按键电路相连接。使用时，安装在居室内，操作时只需要按下面板上的按键，即可实现语音播报智能电能表实时电量，方便盲人、行动不便的老年人；将“难”变为“易”，操作简单，大人、小孩都可操作，能从智能电能表的复杂数据中直接提取用户最关心的数据，其它的大量专业数据留给供电部门的专业电工使用，将数据分级，各取所需。具有使用更为方便，操作简单等优点。
Description
技术领域
本发明属于智能电网领域，是一种能够在户内语音播报智能电能表实时电量的装置。
背景技术
由于智能电网的全面建设和农村电网改造升级等促进因素，智能电能表市场发展势头迅猛，从2009年开始，国家电网和南方电网以统一招标的方式推广智能电能表，未来新增用户都将使用智能电能表，“十三五”期间基本实现智能电能表的全覆盖。根据历年招标数据统计：当前国内智能电能表的总数量已达到5.3亿台。智能电能表功能强大，精度等级高，具有双向计量功能支持绿色能源并网，具有国密SM1算法的安全加密模块ESAM，且所有的智能电能表都具有本地维护的RS485接口。但是复杂的功能和安装位置也带来了一些新的问题：智能电能表显示的数据极多，各种实时电量、电压、电流、时间、通信地址、各种冻结电量、各种事件记录等,非专业人员读取智能电能表的用电数据信息是一个难度较大的工作；其次智能电能表一般都集中安装在地下室、配电房、楼道表箱等区域，并且这些区域光线较差且距离用户住宅较远，这对部分行动不变的老年人或者少数弱视人群造成极大困难。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种使用更为方便，操作简单，能够在户内语音播报智能电能表实时电量的装置，将现有技术中需要用眼“看”在楼道表箱内置的智能电能表的实时电量，变为在自家客厅内用耳朵“听”实时电量，能够极大方便弱视人群、盲人、行动不便的老年人随时知道自己的用电情况，使得用户能根据国家的峰谷电价、阶梯电价等电力政策灵活合理的规划用电，从而降低电费。
解决其技术问题采用的技术方案是，一种能够在户内语音播报智能电能表实时电量的装置，其特征是：它包括单片机电路分别与系统电源电路、RS485模块电路、3.6V锂电池电路、显示模块电路、存储模块电路、语音模块电路和按键电路相连接。
所述的单片机电路包括芯片U1，电阻R2、R3、R5、R8、R22，电容C3、C7、C19、C20、C21、C22、C24，晶振X1相连接。
所述的系统电源电路包括变压器T1，整流桥D3，稳压器U7、U8，电容C44、C45、C46、C47、C48、C54，二极管D9，压敏电阻RR1，复合型PTC热敏电阻PT1+FPTC相连接。
所述的RS485模块电路包括RS485驱动器U10，光耦D13、D14、D21，电阻R4、R82、R89、R90、R91、R92、R93、R100，热敏电阻RT2，瞬压二极管VD1相连接，RS485模块的RX485、TX485、Ctrl485三个端口接单片机电路的芯片U1对应端口，A、B二个端口接智能电能表的RS485接口的对应A、B端口。
所述的3.6V锂电池电路包括锂电池BT1，电阻R15，以及短接测试点J4相连接，其中J4用于生产器件测试锂电池工作电流时使用，测试后用焊接的方式短接。
所述的时钟模块电路包括时钟芯片U4与电容C6相连接，时钟芯片U4的SCL、SDA二个端口接到单片机电路的芯片U1对应端口。
所述的显示模块电路由LCD组成，其中端口COM0-COM6，以及SEG1-SEG22接单片机电路的芯片U1对应端口。
所述的存储模块电路包括存储器U5与电容C40相连接，存储器U5的SCL、SDA二个端口接到单片机电路的芯片U1对应端口。
所述的按键电路为按键KEY，按键KEY的DispKey端口接到单片机电路的芯片U1对应端口。
所述的语音模块电路包括语音驱动芯片U2，喇叭U3，电容C4相连接，语音驱动芯片U2的SPEAKER_BUSY，SPEAKER_DATA，SPEAKER_RST三个端口连接到单片机电路的芯片U1对应端口。
所述单片机电路的芯片U1型号为FM3318。
本发明的一种能够在户内语音播报智能电能表实时电量的装置，是一种安装在居室内，操作时只需要按下面板上的按键，即可实现语音播报智能电能表实时电量，将“看”变为“听”，直接语音播报实时电量给用户收听，方便弱视人群、盲人；将“远”变为“近”，能将远在配电室电表箱内的智能电能表数据转移到了居室内，方便行动不便的老年人；将“难”变为“易”，操作简单，大人、小孩都可操作，能从智能电能表的复杂数据中直接提取用户最关心的数据，其它的大量专业数据留给供电部门的专业电工使用，将数据分级，各取所需。具有使用更为方便，操作简单等优点。
附图说明
图1为一种能够在户内语音播报智能电能表实时电量的装置的外观示意图；
图2为一种能够在户内语音播报智能电能表实时电量的装置的电路原理框图；
图3为图1中单片机电路原理图；
图4为图1中系统电源电路原理图；
图5为图1中RS485模块电路原理图；
图6为图1中3.6V锂电池电路原理图；
图7为图1中时钟模块电路原理图；
图8为图1中显示模块电路原理图；
图9为图8的显示模块电路显示面板字段样式图；
图10为图1中存储模块电路原理图；
图11为图1中按键电路原理图；
图12为图1中语音模块电路原理图；
图13为图1中单片机电路的程序流程图。
图1中：1外壳，2显示模块电路的LCD，3语音模块电路的喇叭，4按键。
具体实施方式
下面利用附图和实施例对本发明的一种能够在户内语音播报智能电能表实时电量的装置作出详细说明。
参照图1，本发明的一种能够在户内语音播报智能电能表实时电量的装置，具有外壳1，在外壳1上置有显示模块电路的LCD 2、语音模块电路的喇叭3和按键电路的按键4。
参照图1-图13，本发明的一种能够在户内语音播报智能电能表实时电量的装置，包括单片机电路分别与系统电源电路、RS485模块电路、3.6V锂电池电路、显示模块电路、存储模块电路、语音模块电路和按键电路相连接。所述的单片机电路包括芯片U1，电阻R2、R3、R5、R8、R22，电容C3、C7、C19、C20、C21、C22、C24，晶振X1相连接。所述的系统电源电路包括变压器T1，整流桥D3，稳压器U7、U8，电容C44、C45、C46、C47、C48、C54，二极管D9，压敏电阻RR1，复合型PTC热敏电阻PT1+FPTC相连接。所述的RS485模块电路包括RS485驱动器U10，光耦D13、D14、D21，电阻R4、R82、R89、R90、R91、R92、R93、R100，热敏电阻RT2，瞬压二极管VD1相连接，RS485模块的RX485、TX485、Ctrl485三个端口接单片机的芯片U1对应端口，A、B二个端口接智能电能表的RS485接口的对应A、B端口。所述的3.6V锂电池电路包括锂电池BT1，电阻R15，以及短接测试点J4相连接，其中J4用于生产器件测试锂电池工作电流时使用，测试后用焊接的方式短接。所述的时钟模块电路包括时钟芯片U4与电容C6相连接，时钟芯片U4的SCL、SDA二个端口接到单片机U1的芯片U1对应端口。所述的显示模块电路由LCD组成，其中端口COM0-COM6，以及SEG1-SEG22接单片机电路的芯片U1对应端口。所述的存储模块电路包括存储器U5与电容C40相连接，存储器U5的SCL、SDA二个端口接到单片机电路的芯片U1对应端口。所述的按键电路为按键KEY，按键KEY的DispKey端口接到单片机电路的芯片U1对应端口。所述的语音模块电路包括语音驱动芯片U2，喇叭U3，电容C4相连接，语音驱动芯片U2的SPEAKER_BUSY，SPEAKER_DATA，SPEAKER_RST三个端口连接到单片机电路的芯片U1对应端口。所述单片机电路的芯片U1型号为FM3318。
参照图3，单片机电路的芯片U1采用上海复旦微电子的FM3318，其集成了LCD驱动功能，上电复位功能，AD转换等诸多功能的智能电能表专用MPU，FM3318以其无与伦比的性价比占据了智能电能表用单片机市场份额的60％。当接收到用户的按键操作时，立刻从存储器加载智能电能表的通信地址，后按照DL/T645-2007协议要求，组织抄表报文，后将报文通过RS485模块发送给连接的智能电能表，后接收RS485模块返回的智能电能表应答报文，解析报文得到当前的实时用电量，后将实时用电量发送到显示模块电路的LCD显示器完成显示，将实时用电量发送到语音模块电路，控制装置内置的8Ω0.5W的喇叭，将电量播报给用户收听，完成在户内语音播报智能电能表实时电量的功能。单片机电路芯片U1内部程序控制整个装置的运行，其运行流程参见图13。
参照图4，系统电源电路在接入220V电源后，经过压敏电阻和复合型PTC热敏电阻组成的保护电路，后经由变压器T1变压，产生2路输出，第一路经由整流桥D3滤波后，经过稳压器U8稳压后得到VDD数字电路的供电电源。第二路经由二极管D9半波整流滤波后，经过稳压器U7稳压后得到V485模拟电路的供电电源，专门给RS485模块的模拟电路部分供电，这样保证模拟电路和数字电路分别独立供电。
参照图5，当单片机电路的芯片U1发送抄读智能电能表命令时，芯片U1先控制Ctrl485，使得RS485模块的U10工作在发送状态，后将命令数据经由TX485端口，进过光耦D13送到RS485模块电路的驱动器MAX13085的DI口，后驱动器将数字信号转换为模拟的差动信号，通过A、B端口发送到485总线连接的智能电能表RS485接口上，完成数据命令的发送工作。后芯片U1先控制Ctrl485，使得RS485模块的U10工作在接收状态，等待智能电能表响应命令返回数据报文。当智能电能表响应请求命令时，将应答数据转为差动信号发送到485总线上，处于接收状态的RS485模块将总线的差动信号接收后，转换为数字信号，后将数字信号经光耦D14发送到单片机电路的RX485端口，芯片U1接收从RX485传入的数据，完成智能电能表应答数据的接收工作。
参照图6，3.6V锂电池电路，电路中的锂电池采用了惠州亿纬锂能的EVE ER14250锂电池，同智能电能表用锂电池完全一样，能可靠保证断电的情况下维持时钟工作大于5年。短接测试点J4用于生产期间测试锂电池工作电流使用，测试后直接用焊接的方式短路，方便、可靠。
参照图7，时钟模块电路采用爱普生的RX8025T，RX8025T是一款拥有I2C接口和温度补偿功能的新型实时时钟芯片，内部集成32.768KHz温度补偿晶体振荡器，可用于各种需要高精度时钟的场合，在工作温度-45℃～85℃范围内，日计时误差小于0.3s。且该芯片采用C-MOS工艺生产，具有极低的功能消耗，低功耗工作电流仅仅0.8uA，可长期使用电池供电。。
参照图8，显示模块电路，直接采用智能电能表用的LCD液晶显示模块，同用户安装的智能电能表LCD显示液晶完全一样,参加图9显示器面板的字段样式图，使用本装置后，用户能轻易看懂智能电能表LCD显示器上各种数据，能不知不觉中培养、提升客户。
参照图10，存储模块电路采用AT24C02，安装本装置时通过装置的RS485接口，按照DL/T645-2007协议，将智能电能表的通讯地址设置到本装置的存储器中保存起来，只要智能电能表不更换，就不再需要设置。
参照图11，采用图1的超大面积按键4设计方式，方便触控操作。
参照图12，语音模块U2由深圳市亿矽特科技的SC8065B和一个8Ω、0.5W喇叭组成。SC8065B是单芯片CMOS一次性编程语音芯片，其语音长度可达65秒(6KHz采样率)，PWM音频输出方式可直接驱动8欧0.5W喇叭，支持MCU串行控制模式，最大可存放1536个语音文件，支持BUSY状态输出功能。在我们的应用中最小数据是0.00度，最大数据是999999.99度，进制涉及到：万、千、百、十，单位涉及到：度、瓦、伏、安培、乏、需量等，需要不到100个各种音频文件，SC8065B完全满足设计要求。工作时单片机先通过SPEAKER_RST发送复位控制信号给语音模块，复位语音模块。复位控制信号完成后单片机电路的芯片U1通过SPEAKER_DATA数据接口控制SC8065B选择对应的语音文件，后语音模块将选择的语音文件转换为驱动信号从PWM1和PWM2输出，直接驱动8Ω，0.5W的喇叭发出语音，当播放完当前音频文件时，SC8065B控制其BUSY引脚，输出完成信号SPEAKER_BUSY给单片机FM3318，通知单片机继续播放下一个音频文件，这样循环完成整个实时电量的语音播报操作。
整个装置根据供电状态的停电、正常供电分为两种工作模式：
当停电时，图4的系统电源电路断电，由图6的3.6v锂电池电路给图3的单片机电路型号为FM3318的芯片U1和图7的时钟模块电路以及图8显示模块电路供电，其它所有模块电路断电，整个装置完成一个钟表的功能。此时图3的单片机电路型号为FM3318的芯片U1工作流程包括如下步骤：
t1.首先关中断，后做500ms的延时，消除供电电源切换导致的抖动，等待供电电源稳定。如图13中的框801所示。
t2.判断供电状态，确认掉电发生。如图13中的框802所示。
t3.初始化I/O、中断、内部功能模块、寄存器，进入SLEEP低功耗工作状态，配置秒定时器中断，利用定时器每秒钟的定时中断，来唤醒单片机电路芯片U1退出SLEEP低功耗状态。最后打开中断。如图13中的框803所示。
t4.读取图7时钟模块电路的实时时间，后将时间送到图8显示模块电路，通过显示模块电路将实时时间显示给用户。如图13中的框804所示。
t5.执行SLEEP指令，进入低功耗状态，使得系统的功耗最低，等待整秒的定时中断来唤醒单片机电路的芯片U1退出SLEEP模式，芯片U1唤醒后继续执行t4。如图13中的框805所示。
t6.在掉电期间一直t4，t5不断循环，实现钟表的计时功能，直到220V供电恢复正常，单片机电路芯片U1通过内部的上电复位电路产生复位方式退出低功耗工作状态。当正常供电时，图6的3.6v锂电池电路的3.6v供电被图4的系统电源电路5V供电取代，图4的系统电源电路给系统的除3.6v锂电池电路外的所有模块电路供电。单片机电路芯片U1工作流程包括如下步骤：
z1.首先关中断，后做500ms的延时，消除供电电源切换导致的抖动，等待供电电源稳定。如图13中的框801所示。
z2.判断供电状态，确认供电正常。如图13中的框802所示。
z3.配置I/O、定时器、串口、中断等内部控制寄存器，完成初始化配置。如图13中的框806所示。
z4.读取图7时钟模块电路的实时时间，后打开中断。如图13中的框807所示。
z5.执行喂狗指令，单片机U1校验关键控制寄存器配置参数，防止异常干扰的参数错乱导致系统工作不正常。如图13中的框808所示。
z6.如果电量显示时间等于0，且有图11按键按下操作时，则转到步骤z11，否则执行下一步。如图13中的框809所示。
z7.判断整秒标志，不是整秒则转到z5，开始新一轮循环。是整秒则执行下一步。如图13中的框810所示。
z8.判断电量显示时间是否不为0，即判断是否正在显现刚刚读取的电量，如果是则执行下一步，不是则转到z10。如图13中的框811所示。
z9.将电量显示时间减1，后转到转到z5，开始新一轮循环。如图13中的框812所示。
z10.读取图7时钟模块电路的时间，送到图8显示模块电路刷新时间显示，后转到转到z5，开始新一轮循环。如图13中的框813所示。
z11.读取图10存储模块电路中的智能电能表通信地址到内存RAM。如图13中的框814所示。
z12.按照智能电能表通讯协议的要求，组织抄读智能电能表实时电量的报文，后将组织好的报文通过发送到图5的RS485模块电路，通过RS485模块电路将报文发送到连接的智能电能表的RS485接口上，完成命令的发送工作。如图13中的框815所示。
z13.通过图5的RS485模块接收智能电能表响应的数据报文，如果成功则执行下一步，报文出错或者超时无应答则转到z16。如图13中的框816所示。
z14.从智能电能表应答的数据报文中提取实时电量，将电量数据送到图8显示模块电路显示当前电量，同时设置30秒显示计时。如图13中的框818所示。
z15.控制图12语音模块电路，根据电量数据选择声音文件，驱动语音控制模块电路的扬声器，将电量数据转换为音频播放给用户听，后转到z8。如图13中的框319所示。
z16.判断抄表次数是否大于3次，如果大于3次，则停止尝试，转到z8执行。如果小于3次则，转到z11，重新组织报文，进行新的抄表尝试。如图13中的框817所示。
本发明的一种能够在户内语音播报智能电能表实时电量的装置所有电子元器件均为市售产品。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种能够在户内语音播报智能电能表实时电量的装置，其特征是：它包括单片机电路分别与系统电源电路、RS485模块电路、3.6V锂电池电路、显示模块电路、存储模块电路、语音模块电路和按键电路相连接。
2.根据权利要求1所述的一种能够在户内语音播报智能电能表实时电量的装置，其特征是：所述的单片机电路包括芯片U1，电阻R2、R3、R5、R8、R22，电容C3、C7、C19、C20、C21、C22、C24，晶振X1相连接。
3.根据权利要求1所述的一种能够在户内语音播报智能电能表实时电量的装置，其特征是：所述的系统电源电路包括变压器T1，整流桥D3，稳压器U7、U8，电容C44、C45、C46、C47、C48、C54，二极管D9，压敏电阻RR1，复合型PTC热敏电阻PT1+FPTC相连接。
4.根据权利要求1所述的一种能够在户内语音播报智能电能表实时电量的装置，其特征是：所述的RS485模块电路包括RS485驱动器U10，光耦D13、D14、D21，电阻R4、R82、R89、R90、R91、R92、R93、R100，热敏电阻RT2，瞬压二极管VD1相连接，RS485模块的RX485、TX485、Ctrl485三个端口接单片机电路的芯片U1对应端口，A、B二个端口接智能电能表的RS485接口的对应A、B端口。
5.根据权利要求1所述的一种能够在户内语音播报智能电能表实时电量的装置，其特征是：所述的3.6V锂电池电路包括锂电池BT1，电阻R15，以及短接测试点J4相连接，其中J4用于生产器件测试锂电池工作电流时使用，测试后用焊接的方式短接。
6.根据权利要求1所述的一种能够在户内语音播报智能电能表实时电量的装置，其特征是：所述的时钟模块电路包括时钟芯片U4与电容C6相连接，时钟芯片U4的SCL、SDA二个端口接到单片机电路的芯片U1对应端口。
7.根据权利要求1所述的一种能够在户内语音播报智能电能表实时电量的装置，其特征是：所述的显示模块电路由LCD组成，其中端口COM0-COM6，以及SEG1-SEG22接单片机电路的芯片U1对应端口。
8.根据权利要求1所述的一种能够在户内语音播报智能电能表实时电量的装置，其特征是：所述的存储模块电路包括存储器U5与电容C40相连接，存储器U5的SCL、SDA二个端口接到单片机电路的芯片U1对应端口。
9.根据权利要求1所述的一种能够在户内语音播报智能电能表实时电量的装置，其特征是：所述的按键电路为按键KEY，按键KEY的DispKey端口接到单片机电路的芯片U1对应端口。
10.根据权利要求1所述的一种能够在户内语音播报智能电能表实时电量的装置，其特征是：所述的语音模块电路包括语音驱动芯片U2，喇叭U3，电容C4相连接，语音驱动芯片U2的SPEAKER_BUSY，SPEAKER_DATA，SPEAKER_RST三个端口连接到单片机电路的芯片U1对应端口。
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